DE10226793A1

DE10226793A1 - Spannungsversorgungsschaltung für KFZ-Lampen

Info

Publication number: DE10226793A1
Application number: DE10226793A
Authority: DE
Inventors: Boris Dipl.-Ing. Ziller; Mario Dipl.-Ing. Linke
Original assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 2002-06-15
Filing date: 2002-06-15
Publication date: 2004-01-08
Also published as: WO2003107723A1; AU2003240175A1

Abstract

Eine Spannungsversorgungsschaltung (10) und ein KFZ-Scheinwerfer mit einer Spannungsversorgungsschaltung (10) werden vorgestellt. Die Spannungsversorgungsschaltung (10) umfasst einen Spannungseingang (14) für eine Bordspannung des KFZ und einen oder mehrere Spannungsausgänge (16) zum Anschluss von Lampen (2). Die Spannung (VB) am Spannungseingang (14) wird gemessen und mit einer vorgegebenen Nennspannung der Spannungsausgänge (16) verglichen. Hieraus wird ein Umsetzungs-Tastverhältnis ermittelt und durch eine Schaltvorrichtung (S) die Spannungsausgänge (16) intermittierend mit dem Spannungseingang (14) verbunden, so dass dort angeschlossene Lampen (L) jeweils ihre Nennleistung aufnehmen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Spannungsversorgungsschaltung für KFZ-Lampen und einen Scheinwerfer mit einer Spannungsversorgungsschaltung.

Im KFZ-Bereich erfolgt die Beleuchtung nach wie vor überwiegend durch Glühlampen. Bekannt sind insbesondere Halogen-Glühlampen, beispielsweise als Ein- oder Zweifadenlampen, wie die bekannte "H4"-Lampe oder die "H7"-Lampe. Diese Lampen werden zur Außenbeleuchtung des KFZ, d.h. beispielsweise als Standlicht, Abblendlicht, Fernlicht oder Nebellicht verwendet. Auch für Signalleuchten (Bremslicht, Blinker) werden Glühlampen verwendet.

Die bekannten Glühlampen sind zum Betrieb an einer festen Spannung ausgelegt. Aufgrund des festen Widerstandes nehmen sie bei Nennspannung ihre Nennleistung auf. Die Lampen sind hierbei so ausgelegt, dass der Betrieb bei Nennspannung hinsichtlich verschiedener Anforderungen optimal ist, insbesondere hinsichtlich der Lebensdauer.

Die Spannungsversorgung von Lampen erfolgt in heutigen KFZ über das Bordnetz, das aus der Lichtmaschine (gepuffert durch eine Batterie) gespeist wird. Das Bordnetz heutiger KFZ arbeitet mit einer Nennspannung von 12V. Die in KFZ verwendeten Regler sind üblicherweise auf eine Ladeschlussspannung von 13,2 V eingestellt, mit der die Lampen maximal versorgt werden. Die Lampen sind beispielsweise in Scheinwerfer-Einheiten zusammengefasst, wobei mehrere Lampen mit einem oder mehreren Reflektoren einen Scheinwerfer bilden. Die Lampen sind über elektrische Leitungen direkt mit einem Schalter verbunden, der die Bordspannung schaltet.

Hierbei kommt es vor, dass die an einer Lampe anliegende Spannung nicht exakt der Nennspannung bzw. der Ladeschlussspannung entspricht, für die die Lampen ausgelegt sind. Dies resultiert beispielsweise aus Spannungsverlusten im Bereich des Schalters sowie der Zuleitung. Die Abweichungen sind zwar gering, führen jedoch bereits zu einem Betrieb der Lampe außerhalb des Nennbereichs und damit unter Bedingungen, für die sie möglicherweise nicht optimiert ist. Dies kann sich beispielsweise negativ auf die Lebensdauer der Lampe auswirken.

Derzeit werden Überlegungen angestellt, als Wert für die Bordnetz-Spannung von KFZ 42 V zu wählen. Dann wird es nötig sein, Lampen und Scheinwerfer vorzusehen, die mit einer entsprechenden Spannung versorgt werden. Hierzu wäre ein umfangreiches Neudesign der Lampen erforderlich.

Aus der DE-A-195 01 925 ist eine Spannungsversorgungsschaltung für KFZ-Lampen bekannt, die den Betrieb einer für eine niedrige Nennspannung (12V) ausgelegten Lampe an einem Bordnetz höherem Spannungsniveaus (24V) ermöglicht. Die Schaltung verfügt über einen Spannungseingang für eine Bordspannung des KFZ und mehrere Spannungsausgänge zum Anschluss von Lampen. Eine Schaltvorrichtung verbindet intermittierend den Spannungsausgang mit dem Spannungseingang. Sie versorgt so die Lampen mit einer pulsweitenmodulierten Spannung. Das Tastverhältnis ist hierbei fest so eingestellt, dass jede Lampe im zeitlichen Mittel ihre Nennleistung aufnimmt. Es wird angegeben, dass sich aufgrund der thermischen Trägheit der Lampen bei der verwendeten Frequenz von 60 bis 70 Hz sich ein gleichmäßiger Leuchteindruck ergibt. Die Schaltvorrichtung besteht aus einer Transistor-Schaltung, die von einem Oszillator mit einem periodischen Taktsignal angesteuert wird, so dass das feste Tastverhältnis eingehalten wird.

Die bekannte Schaltung ist jedoch nur für einen speziellen Einsatzzweck, nämlich den Betrieb einer 12 V-Lampe an einem 24 V-Bordnetz einsetzbar. Sie liefert eine Spannung, deren Effektivwert in einem festen Verhältnis zur Eingangsspannung steht.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Spannungsversorgungsschaltung und einen Scheinwerfer mit einer Spannungsversorgungsschaltung vorzuschlagen, wobei bei geringem Schaltungsaufwand der Einsatzbereich bekannter Lampen vergrößert und ein Betrieb unter möglichst günstigen Bedingungen ermöglicht wird.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Spannungsversorgungsschaltung nach Anspruch 1 und einen Scheinwerfer nach Anspruch 11 . Abhängige Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.

Die erfindungsgemäße Spannungsversorgungsschaltung umfasst eine Vorrichtung zur Messung der Spannung am Spannungseingang. Diese gemessene Spannung wird mit einer vorgegebenen Nennspannung des Spannungsausgangs verglichen. Entsprechend dem Ergebnis dieses Vergleichs wird ein Umsetzungs-Tastverhältnis eingestellt. Die Schaltvorrichtung verbindet intermittierend den Spannungsausgang mit dem Spannungseingang entsprechend dem festgelegten Umsetzungs-Tastverhältnis. Am Spannungsausgang ergibt sich eine pulsweitenmodulierte Spannung, deren Tastverhältnis von der Eingangsspannung abhängt.

Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass ein am Spannungsausgang angeschlossene Lampe stets mit der Leistung betrieben wird, die sie bei konstanter Versorgung mit Nennspannung aufnehmen würde, d.h. bei ihrer Nennleistung. Wie bereits diskutiert ist der Betrieb bei Nennspannung optimal und wirkt sich beispielsweise positiv auf die Lebensdauer der Lampe aus.

Durch die Anpassung des Umsetzungs-Tastverhältnisses entsprechend dem Niveau der Eingangsspannung kann die Spannungsversorgungsschaltung in einem sehr breiten Bereich von Eingangsspannungen arbeiten. Eine derartige Spannungsversorgungsschaltung bzw. ein Scheinwerfer mit einer solchen Spannungsversorgungsschaltung, bei dem die Nennspannung beispielsweise auf 12 V eingestellt wird, kann sowohl an einem 12 V- als auch an einem 42 V-Bordnetz betrieben werden. Im Fall des 42V-Bordnetzes wird das Umsetzungs-Tastverhältnis (Verhältnis der Einschalt-Zeitdauer zur Gesamtlänge des betrachteten Zeitintervalls) auf knapp über 8% festgelegt. Beim Betrieb an einem 12 V-Bordnetz würde das Umsetzungs-Tastverhältnis hingegen 100% betragen, d.h., das Spannungsaus- und -eingang ständig verbunden sind. Eine angeschlossene Lampe könnte so unabhängig von der Bordspannung immer ihre Nennleistung aufnehmen. Im letztgenannten Fall (100% Umsetzungs-Tastverhältnis) wäre zwar die Schaltvorrichtung im Grunde ohne Funktion. Dennoch wird so aber die Möglichkeit eröffnet, einen mit der Spannungsversorgungsschaltung ausgerüsteten Scheinwerfer ohne Modifikation für verschiedene Bordnetze einzusetzen.

Der Betrieb von Glühlampen mit einer pulsweitenmodulierten Spannung anstatt mit Gleichspannung hat sich als unproblematisch erwiesen. Eine Glättung der Spannung ist nicht notwendig. Für den Betrieb der Schaltvorrichtung wird eine Schaltfrequenz im Bereich von 100 bis 300 Hz vorgeschlagen. Die Untergrenze des sinnvollen Bereiches wird einerseits bestimmt durch die optische Wahrnehmbarkeit der intermittierenden Ansteuerung und andererseits durch mögliche Auswirkungen dieser auf die Lebensdauer der Lampen. Für die Obergrenze spielen u. A. EMV-Überlegungen eine Rolle. Überraschenderweise hat sich auch herausgestellt, dass mit der Pulsansteuerung von Glühlampen akustische Effekte verbunden sind. Diese sind unterhalb von 300 Hz jedoch noch geringfügig. Als besonders guter Kompromiss zwischen den verschiedenen Anforderungen hat sich eine Frequenz zwischen l 50 und 200 Hz herausgestellt. Besonders bevorzugt wird eine Schaltfrequenz von ca. 200 Hz.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung enthält die Schaltung eine Steuervorrichtung, die das Umsetzungs-Tastverhältnis aus dem Messwert der Spannung am Spannungseingang und der vorgegebenen Nennspannung des Spannungsausgangs ermittelt. Diese Steuervorrichtung kann beispielsweise ein Mikrocontroller sein. Die Steuervorrichtung ermittelt das Spannungsverhältnis durch Division der Nennspannung durch die gemessene Eingangsspannung. Das Umsetzungs-Tastverhältnis wird bevorzugt im Wesentlichen auf das Quadrat des Spannungsverhältnisses festgelegt. Es kann von dem exakten Wert jedoch geringfügig, z.B. um 10% abweichen, um Effekte wie endliche Anstiegszeiten, Verluste etc. auszugleichen.

Ein besonders einfacher Aufbau lässt sich erreichen, wenn die Schaltvorrichtung als elektronischer Schalter ausgebildet ist – beispielsweise mit einem FET als Schaltelement – der durch Ausgänge eines Mikrocontrollers direkt angesteuert ist. Die Verwendung integrierter Bausteine mit FET-Schaltern und Ansteuerelektronik ermöglicht einen einfachen Aufbau. Durch den Verzicht auf Leistungstreiber lassen sich ausreichend schnelle Anstiegszeiten erzielen, so dass die Verluste gering bleiben.

Besondere Vorteile ergeben sich, wenn nicht nur ein Spannungsausgang zum Anschluss einer Lampe, sondern mehrere, getrennt schaltbare Ausgänge vorgesehen sind. Eine solche Spannungsversorgungsschaltung kann insbesondere in einer Scheinwerfer-Einheit mit mehreren Lampen eingesetzt werden.

Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Steuervorrichtung einen Zustandsspeicher für den Zustand jedes Lampenanschlusses (d.h. die Information, ob die zugehörige Lampe einoder ausgeschaltet sein soll) aufweist. In diesem Fall ist nicht für jede Lampe mehr ein ständiges, zu jedem Zeitpunkt fest anliegendes Steuersignal (d. h. eine direkte elektrische Leitung je Lampe) notwendig. Stattdessen kann die Schaltung angesteuert werden über einen separaten, d.h. von der Spannungsversorgung mit Bordnetzspannung unabhängigen Steuer-Eingang, über den Befehle zum Ein- oder Ausschalten von einzelnen Lampen empfangen werden können. Bevorzugt handelt es sich hierbei um ein Bus-System, bspw. einen Zweidraht-Bus. Hierfür kann die Steuereinheit einen CANBUS-Transceiver umfassen. So wird nicht nur ein Steuer-Eingang, sondern auch ein Ausgang zum Senden von Signalen zur Verfügung gestellt. Die Steuervorrichtung kann über Möglichkeiten zur Fehlerdiagnose verfügen, wobei festgestellte Fehler über einen Ausgang (beispielsweise CANBUS) gemeldet werden können. Mögliche Fehlerzustände können Lampendefekte (Kurzschluss, Leerlauf) sein. Ebenso kann eine Temperaturüberwachung vorgesehen sein. Das Überschreiten einer Temperaturquelle kann als Fehlermeldung abgegeben werden und/oder es kann durch Abschalten mindestens einer der Lampen hierauf reagiert werden.

Bevorzugt arbeitet die Schaltung in festen Zeitintervallen. Ein solches Zeitintervall hat beispielsweise bei der bevorzugten Schaltfrequenz von 200 Hz eine Dauer von 5 ms. Bevorzugt erfolgt in jedem der aufeinanderfolgenden Zeitintervalle eine Messung der Eingangsspannung. So ist eine sehr schnelle Anpassung an Schwankungen der Eingangsspannung gegeben.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung werden bei mehreren Lampenausgängen die Spannungspulse an den verschiedenen Ausgängen im jeweiligen Zeitintervall verteilt, d.h. dass mindestens die Einschaltzeitpunkte von zwei unterschiedlichen Lampenanschlüssen innerhalb eines Intervalls verschieden sind. Dies führt zu einer besseren Verteilung der Belastung des den Lampeneingang speisenden Bordnetzes. Bevorzugt wird, dass die Spannungspulse an den Ausgängen vollständig sequentiell erzeugt werden, also zeitlich nicht oder nur geringfügig überlappen. Es können allerdings Bedingungen eintreten, unter denen eine streng sequentielle Verteilung nicht zu gewährleisten ist. In diesem Fall wird vorgeschlagen, die Ausgänge zu Gruppen zusammengefasst, wobei die Ansteuerung der Gruppen sequentiell erfolgt.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht ein Vorheizen einer oder mehrerer Lampen vor, wenn diese nicht "eingeschaltet" sind, d.h. nicht leuchten sollen. Die "ausgeschalteten" Lampen werden mit minimaler Leistung, d.h. minimalem Tastverhältnis angesteuert. Hierbei liegt das Tastverhältnis bspw. unterhalb von 3%, bevorzugt bei ca. 1%. Dieses Vorheizen wirkt sich positiv auf die Lebensdauer der Lampe aus. Lampenversagen durch "Durchbrennen" des Glühfadens ist häufig eine Folge mechanischen Zerreißens, das durch den anfänglich hohen Strom durch die kalte Wendel bei Einschalten einer Glühlampe hervorgerufen wird. Durch den Vorheizbetrieb wird die Glühwendel auf eine erhöhte Temperatur gebracht, so dass bei einem darauffolgenden "Einschalten", d. h. Betrieb mit Nennleistung, die Glühwendel bereits einen erhöhten elektrischen Widerstand hat und der dann fließende Strom begrenzt wird. Mit einem derartigen Vorheizen kann die Lebensdauer der Lampen verlängert werden.

Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
1 ein schematisches Schaltbild zur Erläuterung des Prinzips der erfindungsgemäßen Spannungsversorgungsschaltung;
2 ein Diagramm des Zeitverlaufs einer pulsweitenmodulierten Spannung;
3 ein Schaltbild einer Ausführungsform der Spannungsversorgungsschaltung;
4a ein Zeitdiagramm der Ansteuerung von vier Lampen innerhalb eines Zeitintervalls mit Darstellung der aufgenommenen Leistung;
4b ein zweites Zeitdiagramm der Ansteuerung von vier Lampen;
5 gemessene Spannungspulse an zwei Lampenausgängen.
1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Spannungsversorgungsschaltung 10. Die Schaltung 10 umfasst eine Steuereinheit 12 und drei Schalter S, die zwischen einem Spannungseingang 14 für eine Bordspannung V_B und drei Ausgängen 16 geschaltet sind. Die Schalter S sind durch die Steuereinheit 12 ansteuerbar. An die Ausgänge 16 sind drei Glühlampen L angeschlossen.
Die Steuereinheit 12 verfügt über einen Messeingang 18, an dem sie mit dem Spannungseingang 14 verbunden ist. In der Steuereinheit 12 ist eine Messvorrichtung (nicht dargestellt) integriert, mit der die am Spannungseingang 14 anliegende Bordspannung V_B gemessen wird. Die Steuereinheit 12 ermittelt das Verhältnis zwischen dem Wert der Spannung V_B und einer für die Ausgänge 16 fest vorgegebenen Nennspannung. Diese kann für die verschiedenen Ausgänge unterschiedlich sein. Im vorliegenden Beispiel wird aber davon ausgegangen, dass für alle Ausgänge 16 eine Nennspannung von 13,2 V vorgegeben ist. Heute in KFZ mit 12 V-Bordnetzen eingesetzte Glühlampen sind auf einen Betrieb an 13,2 V Gleichspannung (Ladeschlussspannung im 12 V-Bordnetz) optimiert.
Die Steuereinheit 12 ermittelt das Verhältnis der Spannungen. Beträgt die Bordspannung V_B42 V, so ergibt sich ein Verhältnis von ca. 0,314. Hieraus berechnet die Steuereinheit 12 das Tastverhältnis für eine pulsweit modulierte Spannung so, dass eine mit der pulsweiten modulierten Spannung angesteuerte Lampe L dieselbe Leistung aufnimmt, die sie auch bei konstantem Betrieb an der Nenn(Gleich-)spannung von 13,2 V aufnehmen würde. Dieses Umsetzungs-Tastverhältnis wird aus dem Quadrat des Spannungs-Verhältnisses berechnet. Es beträgt im genannten Fall beispielsweise 9,88%.
In 2 ist der (idealisierte) Verlauf der entsprechenden pulsweitenmodulierten Spannung U_L über einer Lampe L dargestellt. Innerhalb eines Schaltintervalls T wird hierbei für eine Zeitdauer t_A ein (idealerweise) rechteckiger Spannungspuls der Höhe V_B generiert. Im übrigen Intervall T ist die Spannung gleich Null. Die Dauer des Zeitintervalls T ergibt sich hierbei aus der gewählten Schaltfrequenz. Bei der bevorzugten Schaltfrequenz von 200 Hz ist T = 5 ms. Das Tastverhältnis ist das Verhältnis der Zeitdauer des Spannungspulses t_A zur Gesamtdauer T. Mit dem das oben berechnete Tastverhältnis von 9,88% berechnet sich die Pulsdauer t_A zu ca. 0,5 ms.
Die Lampen L werden jeweils mit einer pulsweitenmodulierten Spannung des in 2 dargestellten Zeitverlaufs betrieben. Es hat sich herausgestellt, dass bei der bevorzugten Schaltfrequenz von 200 Hz die Lebensdauer dieser Lampen nicht wesentlich negativ beeinflusst wird. Bei dieser Frequenz treten auch weder nennenswerte EM-Störungen noch störende akustische Effekte auf. Dennoch ist diese Frequenz hoch genug, dass eine Lampe L im Betrieb als durchgängig leuchtend wahrgenommen wird.
Nachdem anhand der 1 und 2 das Prinzip einer Spannungsversorgungsschaltung gezeigt wurde, soll nun eine Ausführungsform anhand der 3 bis 5 erläutert werden.
3 zeigt ein Schaltbild einer Scheinwerfer-Einheit 20 (gestrichelt umrahmt). Diese weist eine Spannungsversorgungsschaltung 10 und – im dargestellten Beispiel fünf – hieran angeschlossene Glühlampen L auf. Die Scheinwerfer-Einheit 20 verfügt ferner über einen Motor 22 zur Leuchtweiten-Regulierung (mechanische Verstellung) sowie mehrere in einem Scheinwerfergehäuse angeordnete Reflektoren (nicht dargestellt). Als Steuereinheit 12 der Spannungsversorgungsschaltung 10 ist ein Mikrocontroller PIC16C74B vorgesehen. Zwei Schaltregler 24, 26 erzeugen aus der zugeführten Bordspannung V_B die benötigten Spannungspegel von +12V und +5V zum Betrieb des Motors 22 und des Mikrocontrollers 12. Der Mikrocontroller 12 ist mit einem Transceiver 28 für einen CANBUS 30 verbunden. Es handelt sich um einen integrierten Transceiver TJA1054. Die fünf-kanalige Schaltvorrichtung S ist eine Gruppe von High-Side-Switches BTS442D2. Es handelt sich um FETs mit einer TTL-Ansteuerschaltung, so dass die Schaltvorrichtung S direkt an Ausgänge des Mikrocontrollers 12 angeschlossen ist. Der Mikrocontroller 12 verfügt an seinem Messeingang 18 über einen integrierten A/D-Wandler zur Messung der Spannung V_B.
Die angeschlossenen Glühlampen L repräsentieren im dargestellten Beispiel die Funktionen Standlicht, Abblendlicht, Fernlicht, Nebellicht und Blinker. In einem internen Speicher des Mikrocontrollers 12 (nicht dargestellt) ist zu jedem Zeitpunkt der Zustand (Ein/Aus) jeder Lampe gespeichert. Falls die Lampen unterschiedliche Nennspannungen aufweisen, sind die jeweiligen Nennspannungen ebenfalls gespeichert. Die Ansteuerung der Schaltvorrichtung S erfolgt in Zeitintervallen von 5 ms. Innerhalb jedes dieser aufeinanderfolgenden Zeitintervalle misst der Mikrocontroller 12 die Spannung V_B und legt wie oben beschrieben das Tastverhältnis für die Ausgänge der Schaltvorrichtung S fest. Die Schaltvorrichtung S wird dann so angesteuert, dass jede der Lampen L innerhalb des Zeitintervalls mit einem Spannungspuls entsprechend dem festgelegten Umsetzungs-Tastverhältnis versorgt wird. Hierbei werden selbstverständlich nur an den Ausgängen derjenigen Lampen L Spannungspulse erzeugt, deren Zustand im internen Speicher des Mikrocontrollers 12 als "An" gespeichert ist. Beim Blinker-Ausgang wird zusätzlich die Blinkfrequenz als Abfolge von Hell- und Dunkelphasen berücksichtigt.
Die Spannungsversorgungsschaltung 10 kommuniziert mit dem Bordsystem des KFZ über den CANBUS 30. Über den CANBUS 30 erhält der Mikrocontroller 12 Befehle zum Ein- bzw. Ausschalten einzelner Lampen L. Dann werden die entsprechenden Speicher innerhalb des Mikrocontrollers gesetzt. Über den CANBUS 30 meldet der Mikrocontroller 12 auch Fehlerzustände, beispielsweise Kurzschluss oder Leerlauf an einem der Lampenausgänge.
Im Steuerprogramm des Mikrocontrollers 12 können auch weitere "intelligente" Entscheidungen getroffen werden. Falls beispielsweise ein Temperatursensor (nicht dargestellt) die Überschreitung einer Maximaltemperatur meldet, kann der Mikrocontroller 12 eine oder mehrere der Lampen L abdimmen (d.h. mit niedrigerem Tastverhältnis betreiben) oder ausschalten. Die Mikrocontroller-Steuerung kann auch eine Ausfallsicherung umfassen. Bei fehlerhafter Ansteuerung durch den CANBUS (erkannter Fehler am Transceiver 28) kann ein Notlauf mit eingeschaltetem Abblendlicht und Standlicht realisiert werden. Unsinnige Schaltzustände, wie gleichzeitiges Einschalten von Fernlicht und Nebellicht können erkannt und abgefangen werden. Die korrekte Funktion des Mikrocontrollers 12 kann durch einen internen Watchdog-Timer überwacht und sichergestellt werden.
In 4a ist ein Zeitdiagramm des Spannungsverlaufes an vier Ausgängen 41, 42, 43, 44 der Schaltvorrichtung S dargestellt. In diesem Beispiel ist die Nennspannung an allen Ausgängen identisch, so dass identische Tastverhältnisse, entsprechend identischen Einschaltdauer t_A vermittelt werden. Die 4a und 4b zeigen die zeitliche Verteilung der Spannungspulse an den vier Ausgängen innerhalb eines Schaltintervalls T. Hierbei sind die zeitlichen Verläufe der Spannungen an den vier Ausgängen 41, 42, 43 und 44 in den oberen vier Graphen dargestellt, und der untere Graph zeigt den zeitlichen Verlauf der vom Bordnetz entnommenen Leistung.
Im Beispiel von 4a beträgt das Tastverhältnis t_A/T weniger als 20%. Es ist daher möglich, die Ansteuerung der vier Ausgänge 41, 42, 43, 44 sequentiell vorzunehmen.
Wie aus den oberen vier Graphen erkennbar ist, werden an den vier Ausgängen nacheinander Spannungspulse der Dauer t_A angelegt. Zum Ende des Intervalls verbleibt eine Zeitdauer t_C, in der der Mikrocontroller 12 weitere Programmfunktionen erfüllen kann, darunter die Messung der Spannung V_B und Berechnung des Tastgrades, Kommunikation über den CANBUS etc.
Im unteren Graph von 4a ist der zeitliche Verlauf der Leistungsentnahme aus dem Bordnetz des KFZ dargestellt. In diesem Beispiel ist am Ausgang 41 das Standlicht, am Ausgang 42 das Abblendlicht, am Ausgang 43 das Fernlicht und am Ausgang 44 der Blinker angeschlossen. Während die Standlichtlampe lediglich 5 W Leistung aufnimmt, benötigen Abblendlicht und Fernlicht je 55 W. Der Blinker nimmt (in der dargestellten Hell-Phase) 21 W auf. Entsprechend ergibt sich der in 4a unten dargestellte zeitliche Verlauf der Leistungsentnahme. Aufgrund der stark unterschiedlichen Leistungen an den Ausgängen ist dieser Verlauf nicht konstant. Durch die zeitliche Verteilung der Spannungspulse an den Ausgängen über das Intervall T wird jedoch zumindest eine gewisse Gleichmäßigkeit der Leistungsentnahme gewährleistet.
Die sequentielle Ansteuerung, wie sie in 4a dargestellt ist, ist jedoch nicht in allen Zuständen möglich. Bei niedriger Eingangsspannung und folglich hohem Tastverhältnis können Situationen gegeben sein, bei denen die Summe der Einschaltzeiten an den Ausgängen größer ist als die Gesamtdauer des Schaltintervalls T. Selbst wenn dies noch nicht der Fall ist, kann es vorkommen, dass kein ausreichend langes Intervall t_C als Rechenzeit für den Mikrocontroller 12 zur Verfügung steht. Das Steuerprogramm des Mikrocontrollers 12 ist so ausgelegt, dass es in diesen Fällen eine veränderte Ansteuerung der Schaltvorrichtung S vornimmt.
Diese veränderte Ansteuerung, bei der einzelne (im dargestellten Beispiel jeweils zwei) Ausgänge zu Gruppen zusammengefasst werden, ist in 4b dargestellt. Hier beträgt der Tastgrad ca. 30%. Eine sequentielle Ansteuerung wie in 4a ist daher nicht möglich. Aus diesem Grund werden die Ausgänge 42 und 43 (Abblendlicht, Fernlicht, je 55 W) sowie 41 und 44 (Standlicht, 5 W und Blinker, 21 W) jeweils zu einer Gruppe zusammengefasst. Die Ansteuerung von Ausgängen einer Gruppe erfolgt gleichzeitig. Die Folge ist der in 4b unten dargestellte zeitliche Verlauf der entnommenen Leistung, der starke Schwankungen aufweist. Trotzdem ist auch dieser zeitliche Verlauf günstiger als ein gleichzeitiges Einschalten aller Ausgänge.
Wie bereits erwähnt sind die in den 2, 4a und 4b dargestellten Zeitverläufe der Spannung idealisierte Verläufe. Tatsächlich müssen endliche Flankensteilheiten berücksichtigt werden. 5 zeigt zwei aufeinanderfolgende Spannungspulse, bei denen durch direkte Ansteuerung der High-Side-Switches S, d.h. ohne Treiberstufe, eine Anstiegszeit von ca. 13 μs erreicht wird. Aufgrund dieser Anstiegszeit kommt es zu Wärmeverlusten, so dass der Wirkungsgrad ca. 95% beträgt. Die somit in der Schaltung 10 entstehende Verlustleistung von bis zu 6 W kann besonders gut abgeführt werden, wenn die Schaltung 10 auf einem gut wärmeleitfähigen Keramik-Substrat aufgebaut wird.
Die Erfindung lässt sich dahingehend zusammenfassen, dass eine Spannungsversorgungsschaltung und ein KFZ-Scheinwerfer mit einer Spannungsversorgungsschaltung beschrieben werden. Die Spannungsversorgungsschaltung umfasst einen Spannungseingang für eine Bordspannung des KFZ und einen oder mehrere Spannungsausgänge zum Anschluss von Lampen. Die Spannung am Spannungseingang wird gemessen und mit einer vorgegebenen Nennspannung der Spannungsausgänge verglichen. Hieraus wird ein Umsetzungs-Tastverhältnis ermittelt und durch eine Schaltvorrichtung die Spannungsausgänge intermittierend mit dem Spannungseingang verbunden, so dass dort angeschlossene Lampen jeweils ihre Nennleistung aufnehmen.

Claims

Spannungsversorgungsschaltung für KFZ-Lampen mit – einem Spannungseingang (14) für eine Bordspannung eines KFZ, – mindestens einem Spannungsausgang (16) zum Anschluss einer Lampe (L), – einer Vorrichtung zur Messung der Spannung VB am Spannungseingang (14), – und einer Schaltvorrichtung (S), die intermittierend den Spannungsausgang (16) mit dem Spannungseingang (14) verbindet, wobei ein Umsetzungs-Tastverhältnis entsprechend dem Vergleich der gemessenen Spannung VB am Spannungseingang (14) mit einer vorgegebenen Nennspannung des Spannungsausgangs (16) eingestellt wird.
Schaltung nach Anspruch 1, bei der – eine Steuervorrichtung (12) vorgesehen ist, die das Spannungs-Verhältnis der gemessenen Spannung (VB) am Spannungseingang (14) zur vorgegebenen Nennspannung des Spannungsausgangs (16) ermittelt, – und das Umsetzungs-Tastverhältnis auf einen Wert festgelegt, der im Wesentlichen dem Quadrat des Spannungs-Verhältnisses entspricht.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der – eine Steuervorrichtung (12) vorgesehen ist, die einen Mikrocontroller umfasst, – und die Schaltvorrichtung (S) mindestens einen elektronischen Schalter aufweist, – der durch Ausgänge des Mikrocontrollers (12) angesteuert ist.
Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der – mehrere Spannungsausgänge (16) zum Anschluss mehrerer Lampen (L) vorgesehen sind, – wobei die Spannungsausgänge (16) unabhängig voneinander schaltbar sind.
Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der – ein Speicher für den Zustand jedes Spannungsausgangs (16) vorgesehen ist, – wobei für jeden Spannungsausgang (16) gespeichert ist, ob er ein- oder ausgeschaltet ist.
Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der – ein separater Steuer-Eingang (28) vorhanden ist, – wobei über den Steuer-Eingang (28) Steuersignale zum Ein- und Ausschalten einer oder mehrerer Lampen (L) aufgenommen werden.
Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der – die Schaltvorrichtung mit einer Schaltfrequenz von 100 bis 300 Hz, – bevorzugt von 150 bis 250 Hz angesteuert wird.
Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der – die Ansteuerung der Schaltvorrichtung (S) in festen Zeitintervallen erfolgt, – wobei mindestens zwei Lampenanschlüsse (16) zu unterschiedlichen Zeitpunkten innerhalb eines Zeitintervalls T mit dem Spannungseingang (14) verbunden werden.
Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der – eine Detektionsvorrichtung zur Erkennung von Kurzschluss und/oder Leerlauf an mindestens einem Lampenanschluss (16) vorgesehen ist.
Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der – die Schaltvorrichtung (S) die Lampe (L), wenn diese nicht leuchten soll, – mit einem minimalen Tastverhältnis betreibt.
Scheinwerfer mit – mindestens einer Lampe (L), – und einer Spannungsversorgungsschaltung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche.